有机半导体-光学介质微腔中的极化激元光电子学

In the field of semiconductor optoelectronics, an obvious trend is to combine the advantages of organic and inorganic semiconductor materials respectively, for developing new type of photoelectric devices. Recently research on the organic optoelectronic devices, polariton effect has appeared, and exhibit some unique properties(for most inorganic semiconductor systems, the exciton is Wannier, while in the organic system, they are tightly bound Frenkel exciton).These difference leads organic semiconductor potential applications in future optoelectronic devices at room temperature. Organic-inorganic halide perovskite semiconductors with the attractive physics properties, including strong photoluminescence, huge oscillator strengths, and low nonradiative recombination losses, are ideal candidates for studying the light-matter interaction in nanostructures. Semiconductor materials based on organic inorganic halide perovskite structure, such as the nano-disk, nanowire and quantum dot materials, have attracted wide interests and research effort. Our study on polariton optoelectronics in organic semiconductor-optical medium hybrid microcavity system, will pave a new way for the development of electrically driven organic exciton Polariton lasers, quantum coherence light source on a chip and new semiconductor single-photon source.

目前在半导体光电子领域，一个明显的趋势是结合无机半导体和有机材料各自的优点，开发新型的光电器件。近期关于有机光电子器件的研究中，Polariton效应亦已显现，并表现出无机体系所不具备的独特性质（比如，无机半导体体系中激子大多是Wannier激子，而在有机体系中，它们则为紧束缚的Frenkel激子），这导致了其良好的室温应用前景。有机-无机钙钛矿结构半导体材料具有非常吸引人的物理特性，包括大的吸收系数和高荧光量子产率，较大的振子强度和较低的非辐射复合损耗，是研究纳米结构中光与物质相互作用的理想候选体系。基于有机-无机卤化物钙钛矿结构的半导体材料，如纳米盘、纳米线和量子点材料开始引起研究人员的广泛关注。我们对有机半导体-光学介质微腔中的极化激元光电子学的研究，为发展电驱动有机激子极化激元激光器，芯片上的量子相干光源，新型的半导体单光子源提供了一个新的途径。

有机-无机钙钛矿结构半导体材料具有非常吸引人的物理特性，是研究纳米结构中光与物质相互作用的理想候选体系。基于有机-无机卤化物钙钛矿结构的半导体材料，如纳米盘、纳米线和量子点材料引起研究人员的广泛关注。我们对有机半导体-光学介质微腔中的极化激元光电子学的研究，为发展电驱动有机激子极化激元激光器，芯片上的量子相干光源，新型的半导体单光子源提供了一个新的途径。. 团队成员运用机械剥离的方法将二维钙钛矿嵌入高品质的平板光学微腔中，实现了具有极高耦合强度比（SLR~34.2）和横电横磁模式劈裂（> 15meV）的室温蓝光与绿光激子极化激元。首次发现激子极化激元模式与微腔的多个布拉格模式所形成的杂化态，并通过角分辨光谱与理论拟合，有效地计算出了杂化态的耦合强度；态占据数随角度的分布与模式的分布关系，实验结果丰富了室温下激子极化激元的研究与发展。这项工作有助于研究和探索室温下的玻色爱因斯坦凝聚，超流及光学量子霍尔效应等现象。. 团队成员通过将三维钙钛矿与光学微腔结合，成功地制备了拥有低阈值(12.9 μJ cm−2)、高光谱相干性(0.76 nm)、波长可调的VCSEL样品。该研究中表明随着温度的降低，激子的非辐射复合被抑制，从而降低了阈值、提高了光谱相干性。在变温过程中，通过吸收光谱可以清楚地观测到晶格的相变趋势，和同晶格相中异常的能带温度依赖关系。该项工作提供了一个可行的结构去研究光与物质的弱耦合行为，和发展新型的光电器件与激光器。. 团队成员通过化学气相沉积法，在Si/SiO2 衬底上制备出微米块和微米棒单晶。样品表面光滑平整，端面规则，尺寸可控，可作为天然的法布里-珀罗微腔，实现对光子的有效限制。在微米块结构中实现了从激子极化激元（强耦合）到光子型激射（弱耦合）的转变。随着激发功率的增加，微米块展现出良好的激射，激射阈值为16μJ/cm2。同时，类比于杨氏双缝干涉实验，相干激射的远场角分辨光谱直接揭示了激光模式的宇称和微结构中的电场分布等更为精细的信息。. 截止到2020年底，项目负责人及团队成员归纳总结实验成果，完善理论模型，深入揭示实验现象的物理内因，陆续在ACS Nano、Nano Scale、ACS Photonics和Physical Review Letters等国际高质量期刊发表论文8篇。